CN102928814B - 非理想条件下的超宽带异步定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非理想条件下的超宽带异步定位方法及系统。本发明的有益效果是本发明通过目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤首先得出目标节点单元与锚节点单元之间的距离，然后再对目标节点单元进行定位，通过改变发射脉冲的重复周期，能够非常方便地实现锚节点单元与目标节点单元的识别，减少了定位复杂度，提高效率。

Description

非理想条件下的超宽带异步定位方法

技术领域

本发明涉及无线定位方法，尤其涉及非理想条件下的超宽带异步定位方法及系统。 

背景技术

超宽带信号由于其极高的时域分辨率，理论上可以达到厘米级的测距定位精度，同时由于其频域信息分量丰富，具备较好的障碍物穿透能力，因此在室内定位领域具有广泛的应用。常见的定位方法包括到达时间估计（TOA）、到达角估计（AOA）、到达时间差估计（TDOA）、信号强度（RSS）等途径，而基于到达时间类的估计方法能够充分挖掘超宽带信号在时域分辨率上的优点，从而得到广泛应用。 

相比较TOA和TDOA方法，二者各有优势。其中TDOA系统能够容纳更多的用户，但是需要锚节点单元之间完成精确的时间同步。由于室内定位的精度要求较高，当同步误差超过1ns，测距误差就达到30cm，会对系统性能产生严重影响。而目前常用的低复杂度全局同步算法很难达到如此高精度的要求，从而也限制了TDOA方法的应用。 

双向测距（Two way ranging）是一种常见的异步测距方法。该方法利用信号的往返时间（Round trip time）进行距离测量。这种方法不需要收发节点的时钟同步，因此复杂度较低。不过由于定位系统中至少需要3个以上的锚节点单元进行定位辅助，而锚节点单元之间需要设计合理的时分协议以完成先后传输，增加了系统的复杂度。 

发明内容

为了解决现有技术双向测距中系统复杂度高的问题，本发明提供了一种非理想条件下的超宽带异步定位方法。 

本发明提供了一种非理想条件下的超宽带异步定位方法，包括目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤，该目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤包括如下步骤： 

A.目标节点单元用不同的周期发送多个脉冲； 

B.至少三个锚节点单元共同搜索目标节点单元发送的脉冲，至少三 个锚节点单元的搜索周期不同； 

C.每个锚节点单元捕获脉冲N次、判断n次在同一时刻捕获到目标节点单元发送过来的脉冲的概率是否大于Ｐ’，如是、证明该锚节点单元成功捕捉到脉冲、那么执行D步骤，否则该锚节点单元结束检测；所述N、n和Ｐ’均为根据仿真算法设定的值； 

D.成功捕捉到脉冲的锚节点单元将检测到的脉冲回传至目标节点单元； 

E.目标节点单元计算出目标节点单元与捕捉到脉冲的锚节点单元之间的距离，并且目标节点单元将该距离进行记录； 

执行目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤的次数与锚节点单元的个数相同，在步骤A中目标节点单元每次发送的脉冲帧长度均不相同；待目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤的次数执行完毕后，目标节点单元根据目标节点单元与每个锚节点单元的距离值计算出该目标节点单元的位置。 

作为本发明的进一步改进，在所述步骤C中，判断锚节点单元搜索脉冲的周期与目标节点单元发送脉冲的周期是否相同的方法为：判断锚节点单元连续多次捕获到目标节点单元发送过来的脉冲是否在同一位置，如在同一位置、则证明目标节点单元发送脉冲的周期与锚节点单元捕获脉冲的周期相同，锚节点单元能够成功捕捉到脉冲。 

作为本发明的进一步改进，在所述步骤C中，在所述步骤C中，判断锚节点单元搜索脉冲的周期与目标节点单元发送脉冲的周期是否相同的方法为：锚节点单元多次检测锚节点单元的计数周期与目标节点单元发送的脉冲帧长度是否相同，如锚节点单元连续有n次捕获到目标节点单元发送过来的脉冲在同一位置、则证明锚节点单元成功捕捉到脉冲，该n次为预设值。 

作为本发明的进一步改进，所述锚节点单元的数量为6个。 

作为本发明的进一步改进，在所述步骤E中，目标节点单元通过双向测距方法计算出目标节点单元与捕捉到脉冲的锚节点单元之间的距离。 

本发明还提供了一种非理想条件下的超宽带异步定位系统，包括目标节点单元、至少三个锚节点单元，所述目标节点单元包括： 

用于发送和接收脉冲的收发模块； 

与收发模块相连、且用于计算出目标节点单元与捕捉到脉冲的锚节点单元之间的距离的距离测量模块； 

与距离测量模块相连、且用于根据目标节点单元与每个锚节点单元的距离值计算出该目标节点单元的位置的定位模块； 

所述锚节点单元包括： 

用于接收和回发脉冲的传输模块； 

与传输模块相连、且用于判断锚节点单元的搜索脉冲的周期与目标节点单元发送的周期是否相同的判断模块。 

作为本发明的进一步改进，所述收发模块为无线收发模块，所述传输模块为无线传输模块。 

作为本发明的进一步改进，所述锚节点单元数量为6个。 

本发明的有益效果是：本发明通过目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤首先得出目标节点单元与锚节点单元之间的距离，然后再对目标节点单元进行定位，通过改变发射脉冲的重复周期，能够非常方便地实现锚节点单元与目标节点单元的识别，减少了定位复杂度，提高效率。 

附图说明

图1是本发明的目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤流程图。 

图2是本发明的非理想条件下的超宽带异步定位系统原理框图。 

图3是本发明的求Count[n]的算法流程图。 

图4是本发明的数据分析图1。 

图5是本发明的数据分析图2。 

图6是本发明的数据分析图3。 

图7是本发明的数据分析图4。 

图8是本发明的数据分析图5。 

图9是本发明的数据分析图6。 

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种非理想条件下的超宽带异步定位方法，包括目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤，该目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤包括步骤S1至步骤S5，在步骤S1中，目标节点单元用不同的周期发送多个脉冲，该多个脉冲为大于2个脉冲。在步骤S2中，至少三个锚节点单元共同搜索目标节点单元发送的脉冲，至少三个锚节点单元的搜索周期不同。在步骤S3中，每个锚节点单元捕获脉冲N次、判 断n次在同一时刻捕获到目标节点单元发送过来的脉冲的概率是否大于Ｐ’，如是、证明该锚节点单元成功捕捉到脉冲、那么执行S4步骤，否则该锚节点单元结束检测。在步骤S4中，成功捕捉到脉冲的锚节点单元将检测到的脉冲回传至目标节点单元。在步骤S5中，目标节点单元计算出目标节点单元与捕捉到脉冲的锚节点单元之间的距离，并且目标节点单元将该距离进行记录。 

执行目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤的次数与锚节点单元的个数相同，在步骤S1中目标节点单元每次发送的脉冲帧长度均不相同；待目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤的次数执行完毕后，目标节点单元根据目标节点单元与每个锚节点单元的距离值计算出该目标节点单元的位置。 

例如，锚节点单元的个数为3个，那么目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤便执行3次。 

作为该非理想条件下的超宽带异步定位方法的一个实施例，在所述步骤S3中，判断锚节点单元搜索脉冲的周期与目标节点单元发送脉冲的周期是否相同的方法为：判断锚节点单元连续多次捕获到目标节点单元发送过来的脉冲是否在同一位置，如在同一位置、则证明目标节点单元发送脉冲的周期与锚节点单元捕获脉冲的周期相同，锚节点单元能够成功捕捉到脉冲。 

作为该非理想条件下的超宽带异步定位方法的另一个实施例，在所述步骤S3中，判断锚节点单元搜索脉冲的周期与目标节点单元发送脉冲的周期是否相同的方法为：锚节点单元多次检测锚节点单元的计数周期与目标节点单元发送的脉冲帧长度是否相同，如锚节点单元连续有n次捕获到目标节点单元发送过来的脉冲在同一位置、则证明锚节点单元成功捕捉到脉冲，该n次为预设值，该预设值为大于2。 

在所述步骤S5中，目标节点单元通过双向测距方法计算出目标节点单元与捕捉到脉冲的锚节点单元之间的距离。 

如图2所示，本发明还公开了一种非理想条件下的超宽带异步定位系统，包括目标节点单元1、至少三个锚节点单元2，所述目标节点单元1包括：用于发送和接收脉冲的收发模块11；与收发模块11相连、且用于计算出目标节点单元1与捕捉到脉冲的锚节点单元2之间的距离的距离测量模块12；与距离测量模块12相连、且用于根据目标节点单元1与每个锚节点单元2的距离值计算出该目标节点单元1的位置的定位模块13。 

所述锚节点单元2包括：用于接收和回发脉冲的传输模块21；与传输模块21相连、且用于判断锚节点单元2的搜索脉冲的周期与目标节点单元1发送的周期是否相同的判断模块22。 

所述收发模块11为无线收发模块，所述传输模块21为无线传输模块。 

所述锚节点单元2数量为6个，当然该锚节点单元2的数量也可以是8个或10个，只要大于3个以上即可。 

锚节点单元的计数周期也可以称为锚节点单元的搜索周期或检测周期。例如，具有3个锚节点单元，分别第一锚节点单元、第二锚节点单元和第三锚节点单元。 

举例：第一锚节点单元、第二锚节点单元、第三锚节点单元、的计数周期分别为Nf1、Nf2、Nf3。当目标节点单元的帧长度为Nf1时，实现的是目标节点单元与第一锚节点单元之间的双向测距。当目标节点单元的帧长度为Nf2时，实现的是目标节点单元与第二锚节点单元之间的双向测距。当目标节点单元的帧长度为Nf3时，实现的是目标节点单元与第三锚节点单元之间的双向测距。 

目标节点单元发送脉冲的时刻：T(i)=i*Nf,i＝0 1 2 3…(1) 

第一锚节点单元接受到脉冲的时刻：T₁(i)=(τ₁+T(i))%Nf1  τ₁＝d₁/c;(2) 

第二锚节点单元接受到脉冲的时刻：T₂(i)=(τ₂+T(i))%Nf2  τ₂＝d₂/c;(3) 

第一锚节点单元搜索周期为Nf1，在第一锚节点单元的每个搜索周期（Nf1）里只接受到一个脉冲。对一个脉冲进行DP检测，而且每次捕获的时候是相同的,即T₁(k)＝τ₁。 

第二锚节点单元的搜索周期为Nf2，Count[n]为第二锚节点单元在第n个搜索周期内接受到的脉冲个数。当Nf2<Nf1时：也只接受到一个0个或者1个目标节点单元发送过来的脉冲，对0个或者1个脉冲进行检测，即Count[n]∈{0,1}。 

当Nf2>Nf1时：有以下结论： 

(1)T₂(k)的周期为N，即T₂(i)=T₂(i+N)                （4） 

若 $\frac{\mathrm{Nf}2}{\mathrm{Nf}1}=\frac{\mathrm{Nf}2/\gcd (\mathrm{Nf}2,\mathrm{Nf}1)}{\mathrm{Nf}1/\gcd (\mathrm{Nf}2,\mathrm{Nf}1)}=\frac{b}{a}$ T=b 

注:gcd(a,b)为求a,b的最大公约数。 

(2)第二锚节点单元在第n个搜索周期内接受到一个以上的脉冲。 

此时有1≤Count[n]≤[Nf2/Nf1],即第n个搜索周期对Count[n]个脉冲进行检测。 

注：[Nf2/Nf1]:代表向上取整。 

如图3所示，为求Count[n]的算法流程图，参数解析:(注:该流程图计算Count[n]的算法，输入是N和T(i),输出是Count[n]，所以只对这三个参数解释)。N对应（4）式中T₁(k)=T₂(k+N)，T(i)对应（1)式T(i)=k*Nf,i＝0 1 2 3…，Count[n]表示为第二锚节点单元第n个搜索周期，接受到目标节点单元发送过来的脉冲个数。 

在所述步骤S3中，判断锚节点单元的计数周期与目标节点单元发送的脉冲帧长度是否相同的方法为：判断锚节点单元连续多次捕获到目标节点单元发送过来的脉冲是否在同一位置，如在同一位置、则证明锚节点单元成功捕捉到脉冲；例如，判断锚节点单元连续两次捕获到目标节点单元发送过来的脉冲是否在同一位置，假设第二锚节点单元第k个周期检测到的DP位置是目标节点单元的第m个脉冲，捕获时刻为δ(m)，第二锚节点单元第k+1个周期检测到的DP是目标节点单元的第n(n>m)个脉冲，捕获时刻为δ(n):必有：1≤(n-m)≤□Nf2/Nf1□（因为δ(m)δ(n)是第二锚节点单元的连续两个周期捕获的）。第二锚节点单元的第k个周期捕获到目标节点单元发过来的第m个脉冲，捕获时间记为δ(m)=(τ+m*Nf1)%Nf2，第二锚节点单元的第k+1个周期捕获到目标节点单元发过来的第n个脉冲：捕获时间记为：δ(n)=(τ+n*Nf1)%Nf2。 

现在证明：连续两次捕获到的DP时刻是不同的，不能正确检测到DP： 

反证法，假设两次捕获DP的时刻是相同的，即：δ(m)＝δ(n)，那么， 

(τ+n*Nf1)/Nf2＝y…δ(n)x n为整数； 

(τ+m*Nf1)/Nf2=x…δ(m)y m为整数； 

Nf2*x+δ(m)=m*Nf1+δ(m)； 

Nf2*y+δ(n)=n*Nf1+δ(n)；所以： 

（可根据Nf1、Nf2人数值详细讨论，此处讨论的是Nf1、Nf2为整数 单位ns）。 

工程上，很容易选择到合适的Nf1、Nf2满足等式的右边不为整数，而等式的左边为整数，使等式不成立，从而δ(m)≠δ(n)。所以理想情况下选择合适的Nf1和Nf2可以实现异步TOA双向测距。 

结论：理想情况下，不管第二锚节点单元一个周期接受到多少个目标节点单元发来的脉冲，只要选取合适的Nf2和Nf1满足(5)等式右边部位整数.可以使第二锚节点单元检测DP成功的概率为0.即不能连续两个周期内捕获到DP在相同的位置（δ(m)≠δ(n)）。 

举例：Nf1=60ns,Nf2=61ns即δ(m)≠δ(n)，可以实现TOA双向测距。 

本发明所述DP为目标节点单元发送的脉冲。 

理想情况,对DP的捕获是以概率为1捕获到的，如:对于第一锚节点单元，每次都是以P=1的概率捕获到DP脉冲的位置，即当目标节点单元发送脉冲：T(i)=i*Nf,i＝0 1 2 3… 

第一锚节点单元接受脉冲时刻T₁(i)=(τ₁+T(i))%Nf1=τ₁是以概率1成立的，不存在误差。在这种情况下，目标节点单元只要发送两个脉冲就能实现定位。 

实际中，受到多径信道和噪声的影响，对于第一锚节点单元来讲，对DP的捕获不是理想的，会存在偏差，这种偏差可以统计学（概率）的角度描述，所以在定位方法中，目标节点单元是发送多个脉冲以降低误差造成的影响。 

定义：E(x)为接收信号在x时刻处的能量，DP检测按照捕捉到脉冲的时刻为能量最大的时刻即

根据TOA定位方法，锚节点单元将接受目标节点单元发送过来的脉冲，检测DP位置，再对脉冲进行回发，锚节点单元在一个搜索周期，假设第n个搜索周期内对Count[n]个脉冲进行DP检测。 

（1）第一锚节点单元的一个搜索周期只接到一个脉冲即Count[n]＝1。 

●如果锚节点单元的一个周期只接受到一个目标节点单元发送过来的脉冲，统计表明，那么对这个脉冲的捕获是成高斯分布的。 

若真实的接受时刻为τ,则捕获时刻误认为是x,此时有E(x)>E(τ)，P(x)的概率分布如下： 

$P\left(x\right)=P\{E\left(x\right)>E\left(\mathrm{\&tau;}\right)\}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}{e}^{\frac{-{(x-\mathrm{\&tau;})}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2}}$

E(x)代表x时刻的能量。 

E(x)>E(τ)表示真实时刻为,捕获到脉冲的值为x，此处能量最大。 

（4）式表示在x处，能量最大的概率成高斯分布。 

●此时，定义一个容错系数Δ，如果对DP的捕获在这个范围内，即τ_x∈[τ-Δτ+Δ]则认为捕获正确。 

●定义:捕获成功概率：P(X)=P{τ-Δ<x<τ+Δ}。 

（2）第二锚节点单元的一个周期只接受到一个以上目标节点单元发送过来的脉冲Count[n]>1。 

●一般的，假设接受到脉冲是两个，分别时τ₁和τ₂.此时 

P(x)=P{E(x)>E(τ₁)∩E(x)>E(τ₂)} 

●从接收到的信号来看，由于噪声和多径的影响，接受信号会在τ₁ τ₂处向后拖尾，它们对需要捕获位置x的影响（在x处捕获到脉冲）可近似看成是相互独立的， 

于是有:P(x)=P{E(x)>E(τ₁)}P{E(x)>E(τ₂)} 

$P\left(x\right)=P\{E\left(x\right)>E\left({\mathrm{\&tau;}}_1\right)\}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}{e}^{\frac{-{(x-{\mathrm{\&tau;}}_1)}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2}}$

$P\left(x\right)=P\{E\left(x\right)>E\left({\mathrm{\&tau;}}_2\right)\}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}{e}^{\frac{-{(x-{\mathrm{\&tau;}}_2)}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2}}$

Agent表示目标节点单元，Anchor表示锚节点单元，Anchor1表示第一锚节点单元，Anchor2表示第二锚节点单元，Anchor3表示第三锚节点单元。 

三数据分析 

对DP的检测误差成高斯模型时,根据捕获成功概率： 

P(X)=P{τ-Δ<x<τ+Δ} 

根据两个不同的判别准则： 

方法1，连续N次捕获结果相同，则认为检测DP成功。 

方法2，连续捕获N次，若n次以上捕获结果相同，则认为检测DP成功。 

即证明的是：当T_Agent＝T_Anchorl＝Nf1时，Nf2的选取与检测出DP的概率Ｐ的关系，如果P很小，这种方法是可行的。 

如图4至图9所示，仿真结果表明：采用第二种方法，连续捕获N次，若n次以上捕获结果相同，则认为检测DP成功,可以成功检测到DP。如：P’=0.8，N=7n=4，Nf1=30(ns)，Nf2=30.4(ns)，Nf3=30.5(ns)，可以成功检测到DP。 

本发明中锚节点的帧长度指的是锚节点搜索脉冲的周期，本发明中目标节点帧长度指的是目标节点发送脉冲的周期。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (3)

1. 一种非理想条件下的超宽带异步定位方法，其特征在于，包括目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤，该目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤包括如下步骤：

  A. 目标节点单元发送多串脉冲，每串脉冲周期不同；

B. 至少三个锚节点单元共同搜索目标节点单元发送的脉冲，至少三个锚节点单元的搜索周期不同；

C. 每个锚节点单元捕获脉冲N次、判断n次在同一时刻捕获到目标节点单元发送过来的脉冲的概率是否大于Ｐ’，如是、证明该锚节点单元成功捕捉到脉冲、那么执行D步骤，否则该锚节点单元结束检测；所述N、n和Ｐ’均为根据仿真算法设定的值；

D. 成功捕捉到脉冲的锚节点单元将检测到的脉冲回传至目标节点单元；

E. 目标节点单元计算出目标节点单元与捕捉到脉冲的锚节点单元之间的距离，并且目标节点单元将该距离进行记录；

执行目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤的次数与锚节点单元的个数相同，在步骤A中目标节点单元每次发送的脉冲帧长度均不相同，所述脉冲帧长度为脉冲的周期；待目标节点单元与锚节点单元距离测量步骤的次数执行完毕后，目标节点单元根据目标节点单元与每个锚节点单元的距离值计算出该目标节点单元的位置。

2. 根据权利要求1所述的非理想条件下的超宽带异步定位方法，其特征在于：所述锚节点单元的数量为6个。

3. 根据权利要求2所述的非理想条件下的超宽带异步定位方法，其特征在于：在所述步骤E中，目标节点单元通过双向测距方法计算出目标节点单元与捕捉到脉冲的锚节点单元之间的距离。